3.1 Wärme- und Heizungstechnik
Wohngebäude in unseren Breitengraden benötigen im Winter und häufig auch in den Übergangszeiten eine Heizung zur Temperierung von Innenräumen. Ganzjährig muss zudem die Versorgung mit Warmwasser sichergestellt sein. Die Matrix aus Energieträgern und Arten von Heizungsanlagen ergibt eine sehr große Zahl möglicher Kombinationen. Die wichtigsten Energieträger für Heizung und Warmwasser sind:
- fossile Brennstoffe auf Basis Gas, Öl oder Kohle,
- regenerative Energien, z. B. Stückholz, Pellets, Hackschnitzel,
- Wärmepumpen,
- Elektroheizungen,
- Biogas,
- Solarsysteme,
- Geothermie.
In älteren Bestandsgebäuden sind für die zu beheizenden Räume teils noch Einzelöfen oder Etagenheizungen anzutreffen. Gebäudezentrale Anlagen für Heizung und Warmwasser haben sich aber auch in Bestandsgebäuden zum Stand der Technik entwickelt.
Anschluss an Nah- oder Fernwärmenetz
Gebäudezentrale Versorgungssysteme für Heizung und Warmwasser sind eine notwendige Voraussetzung für einen möglichen Anschluss an Nah- oder Fernwärmenetze. Die nebenstehende Abbildung zeigt die verschiedenen Systeme im Überblick:
Arten von Wärmeversorgung in Mehrfamilienhäusern
Soweit Gebäude mit solchen externen Systemen versorgt werden, wird auch hier auf die oben genannten Energieträger zurückgegriffen. Neuere Anlagen für Nah- und Fernwärme arbeiten bevorzugt mit regenerativen Energien, Biogas oder mit Geothermie (hierzulande nur in Ausnahmefällen verfügbar).
Wärmeverteilung
Die Wärmeverteilung zu Heizzwecken in Innenräumen erfolgt durch Warmluftzufuhr, Konvektion oder Wärmestrahlung. Quellen für Wärmestrahlung sind u. a. warmwasserführende Fußbodenheizungen und Wandheizungen, dazu elektrische Heizflächen unterhalb von Fußböden oder Wänden sowie Infrarot-Strahler. In der nachstehenden Tabelle sind die Grundfunktionen beschrieben und bewertet:
Wärmeabgabe und -verteilung in Innenräumen
Das Funktionsprinzip zeigt die nachstehende Abbildung:
Funktionsprinzip Wärmeverteilung in Innenräumen
Nieder- und Hochtemperatur
Wasserbasierende Heizungen, für die eine Vorlauftemperatur von höchstens 35 °C ausreichend ist, werden als "Niedertemperaturheizung" oder "Warmwasserheizung" bezeichnet. Höhere erforderliche Vorlauftemperaturen sind "Hochtemperaturheizungen" oder "Heißwasserheizungen".
Wärmepumpe
Wärmepumpen benötigen elektrische Energie und nutzen zugleich mit möglichst hohen Anteilen Umweltenergie (Luft/Erdreich/Wasser). Das Verhältnis zwischen eingesetzter Strommenge und produzierter Wärmemenge bildet den "Wirkungsgrad" einer solchen Heizungsanlage. Dieser hängt von zahlreichen Faktoren und Parametern ab. So entscheidet die Art der Wärmequelle (Luft, Boden, Wasser) über den Wirkungsgrad.
Wenn das Grundwasser für Wärmepumpen genutzt werden kann, liegen hier je nach regionaler Lage 5 bis 15 °C vor. Ähnliche Temperaturen sind im Erdreich zu erwarten. Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen, die Wärmeenergie aus der Umgebungsluft gewinnen, spielt der Standort eine besondere Rolle. In milden Witterungszonen, etwa in Küstennähe oder in der Rheinebene, ist die Energieausbeute deutlich höher als etwa in Alpen- oder Mittelgebirgsregionen.
Auch die Zieltemperatur (= Vorlauftemperatur) hat wesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad solcher Anlagen. Besonders effizient arbeiten Wärmepumpen bei einer Zieltemperatur bis 35 °C. Niedertemperaturheizungen wie z. B. Fußbodenheizungen können hiermit sicher betrieben werden. Für Hochtemperaturheizungen (bis 65 °C) und für Warmwasser ist zu prüfen, ob durch den Einsatz von elektrischen Heizstäben die Wirtschaftlichkeit der Heizungsanlage erhöht werden kann. Auch Hybridlösungen in Verbindung mit Solarthermie können die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen erhöhen.
Für die Beschreibung der Effizienz von Wärmepumpen werden folgende Fachausdrücke verwendet:
COP
Coefficient of Performance. Beschreibung des Verhältnisses von Nutzwärme zur aufgewendeten elektrischen Energie. Beispiel: Für 100 kW Heizleistung müssen 33 kW elektrische Energie aufgewendet werden. Der COP liegt dann bei 100/33 = 3,03.
SCOP
Seasonal Coefficient of Performance. Aufbauend auf das COP, werden für die 4 Jahreszeiten die Außentemperaturen 12°, 7°, 2° und -7° C saisonal gewichtet.
JAZ
Jahresarbeitszahl. Aufbauend auf das COP, zusätzliche Berücksichtigung des Heizungssystems.
ETAs
Griechischer Buchstabe eta (η) für Wirkungsgrad in Verbindung mit "s" für saisonal (ausgesprochen: "eta es"). Aufbauend auf den SCOP unter Berücksichtigung des Wirkungsgrads bei der Stromerzeugung.
Als Wärmequellen für Wärmepumpen können Luft, Erdreich oder Grundwasser herangezogen werden. Wärmepumpen auf Basis von Erdreich oder Grundwasser haben höhere Investitionskosten zur Folge als Systeme mit Außenluft. Zugleich erreichen diese Anlagetypen insbesondere bei kalten Außentemperaturen im Regelfall deutlich bessere Wirkungsgrade.
Die nachstehende Abbildung zeigt die prinzipielle Funktionsweise dieser Typen von Wärmepumpen.
Funktionsprinzip Wärmepumpen für Heizung und Warmwasser, Bildquelle: Bundesverband Wärmepumpen e.V.
Gas- und Ölheizung...